[테마특강] 플래시 메모리 산업 동향

金示浩

<>86년 2월 연세대 전자공학과 졸업

<>88년 2월 한국과학기술원 전기 및 전자과 공학석사

<>88년 2월 LG반도체 연구소 주임 연구원

<>95년 2월 LG반도체 연구소 책임 연구원보

<>95년 2월 한국과학기술원 전기 및 전자과 공학박사

<>96년 10월∼현재 특허청 심사4국 반도체과 심사관

최근 개인휴대 통신기기들의 급속한 보급확대로 플래시 메모리에 대한 관심이 높아지고 있다. 플래시 메모리는 응용분야가 기존 D램과 다를 뿐 아니라 개인휴대형 전화기, 디지털 카메라 등으로 응용분야가 갈수록 확대되고 있어 앞으로 우리 반도체산업의 한축을 담당할 것으로 기대된다.

반도체 메모리는 데이터의 액세스 특성상 읽기, 쓰기 동작이 가능한 램(RAM)과 데이터의 수정이 불가능하고 읽기만 가능한 롬(ROM)으로 분류된다. 램은 다시 데이터의 기억상태를 유지하기 위해 주기적인 재충전(Refresh)을 필요로 하는 D(Dynamic)램과 전원만 공급되면 데이터가 계속 저장된 상태를 유지하는 S(Static)램이 있다. 롬은 제조업자가 코드를 저장하면 내용변경이 불가능하다. 전원 공급이 차단돼도 원래의 정보가 그대로 기억되어 있는 마스크롬에서부터 시작됐지만 현재는 전기적으로 코드 변경이 가능한 여러가지 형태의 제품들이 나타나고 있다. 사용자에 의해 단지 1회만 프로그래밍이 가능하고 데이터 수정이 불가능한 OTP(One Time Progammable)롬을 비롯 전기적으로 프로그램 가능하나 소거는 자외선 조사에 의존하는 EP(Electrically Progammable)롬, 전기적으로 프로그래밍과 소거가 반복적으로 가능한 EEP(Electrically Erasable Programmable)롬 등이 대표적이다.

EP롬은 71년 미국 인텔이 「FAMOS」라는 이름으로 처음 발표했으며 이후 기존 EP롬 셀에 선택 트랜지스터를 추가해 소거 동작시 임의의 셀을 선택 가능하게 하고 셀 단위(한 셀은 한 비트를 나타냄) 또는 8개의 셀단위(1바이트) 등으로 데이터 쓰기, 읽기 동작을 할 수 있도록 설계된 EEP롬이 등장하게 됐다. 플래시 메모리는 기존 EEP롬 셀의 구성과 동작을 변형한 것으로 명칭은 84년 일본 도시바가 플래시 EEP롬이라고 발표한 것에서 유래됐다. 즉 플래시 메모리는 전기적 소거동작이 원하는 블록, 섹터 또는 전체 칩 단위로 수행되고 프로그램은 1개의 비트 단위로도 수행할 수 있도록 아키텍처를 구성한 EEP롬의 개량된 형태를 가리키는 것이다. 플래시 메모리는 기억단위가 섹터로 분할돼 포맷되는 컴퓨터의 디스크형 보조기억장치 구조와 유사하다.

플래시 메모리의 아키텍처는 크게 비트선과 접지선 사이에 셀이 병렬로 배치된 NOR형 구조와 직렬로 배치된 NAND형 구조로 나눌 수 있고, 다시 NOR형은 변형구조인 AND형, DINOR형, VGA(Virtual Ground Array)형으로 나눌 수 있다. NOR형은 88년 인텔이 발표한 EP롬 셀 구조를 이용한 ETOX(EPROM tunnel oxide) 방식에 기초한 구조다. NOR형은 CHE주입(Channel Hot Electron Injection;채널 고에너지 전자주입)에 의해 프로그래밍되며 소거동작은 소스 전극과 부동 게이트 사이의 절연 막에서 일어나는 FN(Fowler-Nordheim)터널링 방식으로 실행된다. CHE주입은 드레인에 6∼12V, 게이트에 6∼9V 정도의 고전압을 인가했을 때 소스 전극에서 드레인 전극으로 이동하는 전자가 채널의 포화 영역에서 강한 전계로 인해 가속되어 높은 운동 에너지를 갖게 되며(이를 Hot electron 이라함) 이 전자 중에서 일부가 산화막의 전위장벽을 관통하여 부동 게이트로 주입되는 것이다. 이처럼 부동 게이트에 주입된 전자는 절연막의 전위장벽에 의해 고립되고 그 결과 제어 게이트에서 본 셀트랜지스터의 문턱전압 상승으로 이어져 프로그램되는 것이다. FN터널링은 포울러와 노드하임에 의해 밝혀진 물리적 현상으로 전극 사이 산화막에 고전계가 인가된 경우 터널링 전류가 전계에 대해 지수함수적으로 증가하는 현상을 말한다. NOR구조의 경우 소거동작은 제어게이트에 대략 -5V를 인가하고 소스에 6V 정도의 전압을 인가해 제어게이트에 고립되어 있던 전자를 소스로 터널링시킴으로써 제어게이트에서 본 셀트랜지스터의 문턱 전압하강으로 이어져 실행된다.

87년 일본 도시바가 제안한 NAND형은 84년 발표된 최초의 플래시 메모리 구조와는 전혀 다른 새로운 형태로 구조 자체가 셀들을 직렬로 연결한 것이기 때문에 각 셀의 소스/드레인 양쪽 전극에 고전압을 인가할 수 없게 된다. 따라서 모든 프로그램/소거 동작은 FN터널링 방식으로만 가능하다. NOR형은 임의의 셀을 순서에 관계없이 임의의 번지를 고속으로 읽을 수 있으며(Random Acces), 쓰기/읽기 동작시 내부 번지 디코딩이 간단하여 이의 처리를 위한 주변회로가 간단해지는 장점이 있다. 하지만 셀마다 비트선의 접촉 전극이 필요하므로 NAND형에 비해 셀 면적이 커지는 단점이 있다. NAND형은 먼저 해당 블록이 선택된 후 읽기 동작이 순서적으로 이루어진 방식이다. 각 셀이 직렬로 연결되어 동작 저항이 크기 때문에 읽기속도가 느리다는 단점이 있다. 개량 NOR형은 기존 NOR형과 NAND형의 장점을 취한 것이다. 일본 히타치의 AND형은 복수 셀 트랜지스터를 공통 소스선과 공통 비트선 사이에 병렬로 구성하여 비트선의 접촉전극을 생략한 구조다. 일본 미쓰비시전기가 제안한 DINOR(Divided Bit-line NOR) 구성은 두 셀의 중앙부에 공통 소스선이 접촉 전극없이 통과하도록 배치되고 두 셀의 양단에만 비트선 접촉 전극을 형성한 것으로 AND형 구성과 회로적으로는 동일하지만 셀의 평면내 배치형태는 다르다. VGA 구조는 셀이 2차원 행렬로 배치된 형태로 소스선과 비트선의 구별이 없으며 동작시 셀 선택은 인접배선이 소스선과 비트선의 역할을 교대로 담당하여 이루어진다. VGA 구조는 각 셀의 소스 및 비트선의 역할을 교대로 수행할 수 있고 또 접촉전극이 없으므로 단위 셀당 점유면적은 NAND 구조와 같은 수준이 된다. 개량 NOR형에서는 각 셀이 병렬로 배치되어 있는 셀 구성의 특성상 임의 번지의 데이터를 용이하게 읽을 수 있고 특히 읽기동작시의 셀 저항이 작기 때문에 고속 동작이 가능한 장점을 지니고 있다.

플래시 메모리는 HDD 대용품 및 디지털 카메라의 데이터 저장 등에 쓰이는 카드형 제품과 컴퓨터의 BIOS(Built­in Operating System)나 이동전화기의 마이크로 코드 저장용으로 쓰이는 단일 칩형 제품으로 구분할 수 있다. 플래시 메모리의 개발과 생산은 세계 주요 반도체 업체간 공동개발 또는 위탁생산이라는 전략적 제휴를 통해 이뤄지고 있다. NOR구조 제품은 미국 인텔과 일본 샤프, 그리고 미국 AMD와 일본 후지쯔의 제휴가 대표적이며 NAND형 제품은 일본 도시바와 삼성전자가 제휴해 기술개발을 하고 있다. 인텔­샤프와 AMD­후지쯔 연합은 NOR 구조의 단일 칩형 플래시메모리 제품을 공동 개발해 일본측 회사가 주문자상표부착생산(OEM) 방식으로 제품을 생산하는 체계로 운영되고 있으며, 히타치와 미쓰비시는 각사가 가지고 있는 AND구조와 DINOR 구조의 기술을 공동으로 응용해 제품을 개발 생산하고 있다. 미국의 플래시 메모리카드 전문업체인 선디스크사는 VGA형 구조에 대한 공정개발과 생산을 LG반도체, NEC, 마쓰시타와 제휴로 진행시키고 있다.

저전력/고속 동작이 중요한 단일 칩형 제품은 NOR형 구조를 채택한 인텔­샤프 진영과 AMD­후지쯔 진영이 전체시장의 80% 이상을 장악하고 있다. 90년대 초 개발된 단일제품 메모리는 동작전원이 5V였으나 현재 인텔진영과 AMD진영이 주력하고 있는 제품은 디지털 이동전화기 등 휴대기기에 사용되는 동작전원 3.3V 이하인 코드저장용 메모리가 대부분이며 현재 8M, 16M, 64M 제품이 출하되고 있다. AMD진영은 2.2V 단일 전원을 사용하는 8M 제품을 샘플출하하고 있다.

카드형 제품은 인텔과 AMD가 표준으로 주장하는 미니카드 방식과 선디스크의 PCMCIA(PC 메모리카드의 표준 모임)규격 방식이 현재 주도권 다툼을 벌이고 있다. PCMCIA방식은 「PnP기능」을 지원해 현재 대부분의 노트북 컴퓨터에 기본으로 장착된 PCMCIA 슬롯에 카드를 삽입한 상태에서 별도의 구동 소프트웨어를 장착하지 않고도 기존 DOS, 윈도3.1, 윈도95 등의 운용시스템으로 직접 구동할 수 있어 HDD 대체용으로 적합하다. 미니카드는 크기가 PCMCIA 방식 카드보다 30% 정도 작지만 PCMCIA 슬롯에 카드를 삽입할 때 전용소켓을 이용해야 하고 컴퓨터 메모리로 이용될 때 FFS(Flash File System)라는 소프트웨어가 필요하다는 것이 단점이다.

플래시 메모리는 전원이 끊겨도 저장된 데이터를 유지하는 비휘발성 메모리이면서도 D램과 같은 정도의 고속동작이 가능하다. 특히 물리적 충격에 강하고 저전력 소비형이라는 장점 때문에 개인 휴대기기의 데이터 저장용으로 장차 그 수요가 급증할 것으로 전망된다. 플래시 메모리 세계시장 규모는 97년 약 40억달러에서 2000년에는 1.5배 증가한 약 1백억달러 시장이 형성될 것으로 전문가들은 예측하고 있다. 97년 전세계 메모리시장 규모는 약 3백50억달러로 이 가운데 D램이 2백50억달러에 달할 것이라는 세계 반도체 수요 예측기관들의 전망을 볼 때 플래시 메모리는 현재 전체 메모리시장의 약 11%(D램 전체의 약 16%)를 차지할 것으로 추정된다.

국내에서는 90년대 초부터 지나치게 D램에 편중된 생산구조를 탈피하기 위한 대안과 새로운 고부가가치의 반도체 제품 개발의 일환으로 플래시 메모리에 관심이 고조돼 왔다. 삼성전자가 NAND형 구조의 32M 시제품을 94년 발표했고 현재는 16MB 제품을 생산, 출하하고 있는 상황이다. 현대전자는 국내 연구소와 미국 법인과의 협력을 통해 세계시장 진입을 노리고 있고, LG반도체는 선디스크와 공동으로 4M급 제품개발을 완료한 것으로 알려지고 있으며 현재는 메모리카드 분야에서 협력관계를 더욱 강화시키고 있는 것으로 전해지고 있다. 특히 전세계 D램 총 생산의 약 30%를 점유하고 있고 그 분야에서 상당한 기술력을 확보하고 있는 우리나라로서는 D램과 제조공정이 유사한 플래시 메모리분야에 있어서도 무한한 잠재력을 보유하고 있다고 보여진다.

앞으로 우리나라 기업의 성장 가능성에 경계심을 갖고 있는 기술 선진국들의 견제는 더욱 심해질 것으로 전망된다. 이러한 징조는 95년 10월 미국 선디스크가 삼성전자를 상대로 미국무역위원회(ITC)에 낸 특허침해소송에서 이미 나타나고 있다. D램 개발초기에 우리 반도체업계가 겪었던 극심한 특허분쟁은 우리의 새로운 관심분야인 플래시 메모리에서도 재현될 가능성이 많다. 이에 대처하기 위해 우리 업체들은 기술개발 노력도 중요하지만 개발된 기술에 대한 특허관리 노력도 게을리해서는 안될 것이다. D램 개발과정에서 겪었던 많은 시행착오, 특히 특허분쟁에 대한 대응과정에서 얻은 소중한 경험들을 활용해서 똑같은 전철을 밟지 않도록 사전에 철저히 대비하는 지혜가 절실히 요구된다.